Neue Materialien könnten langlebigere implantierbare Batterien geben

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Batterieforschung weitgehend aufwärts wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien konzentriert, die in allen Bereichen von Elektroautos solange bis hin zu tragbaren Elektronikgeräten verwendet werden und sich in Bezug aufwärts Erschwinglichkeit und Kondensator katastrophal verbessert nach sich ziehen. Andererseits nicht wiederaufladbare Batterien nach sich ziehen sich in dieser Zeit trotz ihrer entscheidenden Rolle in vielen wichtigen Anwendungen wie implantierbaren medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern kaum verbessert.

Jetzt nach sich ziehen Forscher am MIT verknüpfen Weg gefunden, die Energiedichte dieser nicht wiederaufladbaren oder „primären“ Batterien zu verbessern. Sie sagen, dass es eine solange bis zu 50-prozentige Verlängerung jener Nutzungsdauer oder eine entsprechende Verringerung jener Größe und des Gewichts zusammen mit einer bestimmten Menge an Leistung oder Energiekapazität geben und synchron die Sicherheit verbessern könnte, ohne oder mit geringen Wert.

Die neuen Erkenntnisse, zusammen mit denen jener herkömmlicherweise inaktive Batterieelektrolyt durch ein Werkstoff ersetzt wird, dasjenige zum Besten von die Energieabgabe tätig ist, werden in jener Zeitschrift Proceedings of the Patriotisch Academy of Sciences in einem Geschlechtswort von Haining Gao, Promovend Alejandro Sevilla, Kavanaugh Postdoctoral Fellow am MIT, berichtet , außerordentlicher Professor zum Besten von Maschinenbau Betar Gallant und vier weitere am MIT und Caltech.

Dasjenige Ersetzen jener Batterie in einem Pacemaker oder einem anderen medizinischen Implantat erfordert verknüpfen chirurgischen medizinischer Eingriff, sodass jede Verlängerung jener Nutzungsdauer ihrer Batterien verknüpfen erheblichen Kraft aufwärts die Lebensqualität des Patienten nach sich ziehen könnte, sagt Gallant. Primärbatterien werden zum Besten von solche wesentlichen Anwendungen verwendet, weil sie zusammen mit einer gegebenen Größe und einem gegebenen Inertia etwa dreimal so viel Kraft liefern können wie wiederaufladbare Batterien.

Dieser Kapazitätsunterschied, sagt Gao, macht Primärbatterien „entscheidend zum Besten von Anwendungen, zusammen mit denen dasjenige Aufladen nicht möglich oder unpraktisch ist“. Die neuen Materialien funktionieren zusammen mit menschlicher Körpertemperatur und wären von dort zum Besten von medizinische Implantate probat.

Neben implantierbaren Geräten, die weiterentwickelt werden, damit die Batterien zusammen mit kühleren Temperaturen effizient funktionieren, könnten Anwendungen zweite Geige Sensoren in Sendungsverfolgungsgeräten zusammenfassen, um zum Beispiel sicherzustellen, dass die Temperatur- und Feuchtigkeitsanforderungen zum Besten von Lebensmittel- oder Arzneimittelsendungen während des gesamten Versands ordnungsgemäß eingehalten werden Prozess. Oder sie kommen in ferngesteuerten Luft- oder Unterwasserfahrzeugen zum Pfand, die darüber hinaus heftige Menstruationsblutung Zeiträume Gewehr bei Fuß bleiben sollen.

Herzschrittmacherbatterien halten in jener Regel fünf solange bis zehn Jahre und sogar noch weniger, wenn sie Hochspannungsfunktionen wie Defibrillation erfordern. Doch zum Besten von solche Batterien, sagt Gao, gilt die Technologie denn begründet, und „es gab in den letzten 40 Jahren keine großen Innovationen in jener grundlegenden Zellchemie.“

Welcher Schlüssel zur Neuerung des Teams ist ein neuartiger Elektrolyt – dasjenige Werkstoff, dasjenige zwischen den beiden elektrischen Polen jener Batterie, jener negative Elektrode und jener positive Elektrode, liegt und Ladungsträger von einer Seite zur anderen vorbeigehen lässt. Unter Verwendung einer neuen flüssigen fluorierten Vernetzung stellte dasjenige Team wacker, dass sie wenige jener Funktionen jener negative Elektrode und des Elektrolyten in einer Vernetzung, einem so genannten Katholyten, vereinen konnten. Dies ermöglicht es, verknüpfen Hauptteil des Gewichts typischer Primärbatterien einzusparen, sagt Gao.

Neben dieser neuen Vernetzung gibt es zwar andere Materialien, die theoretisch in einer Batterie mit hoher Kondensator eine ähnliche Katholytrolle übernehmen könnten, erklärt Gallant, allerdings sie Materialien nach sich ziehen niedrigere Eigenspannungen, die nicht mit denen des restlichen Materials in einer herkömmlichen Herzschrittmacherbatterie identisch sein , ein Typ, jener denn CFx prestigevoll ist.

Da die Gesamtleistung jener Batterie nicht höher sein kann denn die des geringeren jener beiden Elektrodenmaterialien, würde die zusätzliche Kondensator aufgrund jener Spannungsabweichung verschwendet werden. Andererseits zusammen mit dem neuen Werkstoff „ist einer jener Hauptvorteile unserer fluorierten Flüssigkeiten, dass ihre Tonus sehr gut mit jener von CFx übereinstimmt“, sagt Gallant.

In einer herkömmlichen CFx-Batterie ist jener flüssige Elektrolyt unerlässlich, da er geladene Teilchen von einer Elektrode zur anderen vorbeigehen lässt. Andererseits „sie Elektrolyte sind tatsächlich chemisch inaktiv, darob sind sie im Grunde totes Inertia“, sagt Gao. Dasjenige bedeutet, dass etwa 50 von Hundert jener Schlüsselkomponenten jener Batterie, hauptsächlich jener Elektrolyt, inaktives Werkstoff ist. Andererseits in jener neuen Konstruktion mit dem fluorierten Katholyt-Werkstoff könne dasjenige Eigengewicht aufwärts etwa 20 von Hundert reduziert werden, sagt sie.

Die neuen Zellen eröffnen zweite Geige Sicherheitsverbesserungen im Vergleich zu anderen Arten von vorgeschlagenen Chemikalien, die giftige und ätzende Katholytmaterialien verwenden würden, welches ihre Grundrechnung nicht tut, sagt Gallant. Und vorläufige Tests nach sich ziehen eine stabile Haltbarkeit darüber hinaus mehr denn ein Jahr gezeigt, ein wichtiges Merkmal zum Besten von Primärbatterien, sagt sie.

Bisher hat dasjenige Team experimentell noch nicht die volle 50-prozentige Verbesserung jener Energiedichte erreicht, die von ihrer Überprüfung vorhergesagt wurde. Sie nach sich ziehen eine 20-prozentige Verbesserung gezeigt, welches zum Besten von wenige Anwendungen für sich schon ein wichtiger Preis wäre, sagt Gallant. Dasjenige Formgebung jener Zelle selbst ist noch nicht vollwertig optimiert, allerdings die Forscher können die Zellleistung basierend aufwärts jener Leistung des aktiven Materials selbst prognostizieren. „Wir können sehen, dass die prognostizierte Leistung aufwärts Zellebene zusammen mit einer Skalierung etwa 50 von Hundert höher sein kann denn zusammen mit jener CFx-Zelle“, sagt sie. Dieses Niveau experimentell zu klappen, ist dasjenige nächste Ziel des Teams.

Sevilla, Doktorandin im Fachbereich Maschinenbau, wird sich im kommenden Jahr aufwärts sie Arbeit unterordnen. „Selbst wurde in dieses Projekt gebracht, um zu versuchen, wenige jener Einschränkungen zu verstehen, warum wir nicht in jener Stellung waren, die volle mögliche Energiedichte zu klappen“, sagt er. „Meine Rolle bestand darin, die Lücken im Hinblick aufwärts dasjenige Verständnis jener zugrunde liegenden Reaktion zu schließen.“

Ein großer Vorteil des neuen Materials, sagt Gao, ist, dass es leichtgewichtig in bestehende Batterieherstellungsprozesse integriert werden kann, denn einfacher Surrogat eines Materials durch ein anderes. Vorgespräche mit Herstellern ratifizieren sie potenziell einfache Substitution, sagt Gao. Dasjenige grundlegende Ausgangsmaterial, dasjenige zum Besten von andere Zwecke verwendet wird, wurde schon zum Besten von die Produktion hochskaliert, sagt sie, und sein Preis ist vergleichbar mit dem jener Materialien, die derzeit in CFx-Batterien verwendet werden.

Die Wert zum Besten von Batterien, die dasjenige neue Werkstoff verwenden, dürften ebenfalls mit denen jener bestehenden Batterien vergleichbar sein, sagt sie. Dasjenige Team hat schon ein Patent zum Besten von den Katholyten beantragt und erwartet, dass die medizinischen Anwendungen wahrscheinlich die ersten sein werden, die kommerzialisiert werden, notfalls mit einem Urbild in Originalgröße, jener intrinsisch von etwa einem Jahr in realen Geräten getestet werden kann.

Später könnten wahrscheinlich zweite Geige andere Anwendungen von den neuen Materialien profitieren, wie intelligente Wasser- oder Gaszähler, die aus jener Ferne ausgelesen werden können, oder Geräte wie EZPass-Transponder, wodurch ihre nutzbare Nutzungsdauer erhoben wird, sagen die Forscher. Leistung zum Besten von Drohnenflugzeuge oder Unterwasserfahrzeuge würde eine höhere Leistung erfordern und könnte von dort länger dauern, solange bis sie entwickelt wird. Andere Anwendungen könnten Batterien zum Besten von Geräte zusammenfassen, die an abgelegenen Standorten verwendet werden, wie z. B. Bohrinseln zum Besten von Öl und Gas, einschließlich Geräten, die in die Bohrlöcher geschickt werden, um die Bedingungen zu beaufsichtigen.

Zum Team gehörten zweite Geige Gustavo Hobold, Aaron Melemed und Rui Guo vom MIT sowie Simon Jones vom Caltech. Die Arbeit wurde vom MIT Lincoln Laboratory und dem Army Research Office unterstützt.

Forschungsbericht: „Fluor-Organoschwefel-Katholyte zur Steigerung jener Kraft von Lithium-Primärbatterien“

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